Nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc khi chuyển làn

Phương pháp nghiên cứu Để nghiên cứu xác định trạng thái ổn định quỹ đạo chuyển động ĐXSMRM, luận án tiến hành kết hợp hai phương pháp: - Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình hóa đoàn xe theo

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

CỦA ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC KHI CHUYỂN LÀN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2018

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS VÕ VĂN HƯỜNG

Hà Nội – 2018

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của thầy hướng dẫn Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án

là trung thực, khách quan và chưa từng được bảo vệ ở bất kỳ học vị nào và chưa từng được tác giả khác công bố

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm

ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Xu thế phát triển đoàn xe, vấn đề mất ổn định chuyển động và tính cấp thiết 4

1.1.1 Xu thế phát triển đoàn xe 4

1.1.2 Tai nạn Giao thông 5

1.1.3 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 6

1.2 Tình hình nghiên cứu của Thế giới và Việt Nam về ổn định quỹ đạo chuyển động 10

1.2.1 Tình hình nghiên cứu của Thế giới 10

1.2.2 Tình hình nghiên cứu của Việt Nam 13

1.3 Các chỉ tiêu, thông số đánh giá mất ổn định quỹ đạo chuyển động 13

1.4 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 15

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 15

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 15

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu 16

1.4.4 Phạm vi nghiên cứu 17

1.4.5 Cấu trúc luận án 18

1.5 Kết luận chương 1 18

Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE SƠ MI RƠ MOÓC NGHIÊN CỨU CHUYỂN LÀN ĐƯỜNG 20

2.1 Phân tích cấu trúc và các giả thiết lập mô hình 21

2.1.1 Phân tích cấu trúc ĐXSMRM 21

2.1.2 Các giả thiết khi xây dựng mô hình 21

2.2 Mô hình động lực học ĐXSMRM nghiên cứu chuyển làn đường 22

2.2.1 Hệ quy chiếu 22

2.2.2 Hệ lực và mô men 23

2.2.3 Hệ phương trình chuyển động của ĐXSMRM trong mặt phẳng đường 24

2.2.4 Hệ phương trình động lực học phương thẳng đứng 27

Trang 5

2.2.5 Động lực học bánh xe đàn hồi 31

2.2.6 Xác định các lực liên kết 36

2.2.7 Xác định các lực cản khí động 44

2.3 Các mô đun của mô hình 45

2.4 Điều kiện đầu của các phương trình vi phân 46

Chương 3 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO ĐXSMRM KHI CHUYỂN LÀN ĐƯỜNG 48 3.1 Mô tả điều kiện khảo sát, các phương án khảo sát và các chỉ tiêu đánh giá 48

3.1.1 Mô tả điều kiện và các phương án khảo sát 48

3.1.2 Các chỉ tiêu sử dụng để đánh giá ổn định quỹ đạo chuyển động khi chuyển làn 53

54

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của biên độ đánh lái Sin khi chuyển làn đường đơn, v=50km/h 55

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tần số đánh lái khi chuyển làn đường đơn, v=50km/h 66

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc xe khi chuyển làn đường đơn 72

3.5 Xác định vùng điều khiển khi chuyển làn đường 78

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 87

4.1 Mục đích, đối tượng và các thông số thí nghiệm 87

4.1.1 Mục đích thí nghiệm 87

4.1.2 Đối tượng thí nghiệm 87

4.1.3 Các thông số thí nghiệm 88

4.2 Thiết bị thí nghiệm 89

4.2.1 Cảm biến đo gia tốc MMA7361L 89

4.2.2 Cảm biến Encoder 90

4.2.3 Bộ xử lý tín hiệu và kết nối với máy tính NI USB – 6210 91

4.2.4 Sơ đồ liên kết cảm biến thí nghiệm 92

4.3 Các phương án thí nghiệm 93

4.3.1 Mô tả thí nghiệm 93

4.3.2 Các phương án thí nghiệm 93

4.3.3 Một số hình ảnh thí nghiệm 94

4.3.4 Thiết lập điều kiện tương quan giữa thí nghiệm và mô phỏng 94

4.4 Kết quả thí nghiệm và so sánh với mô phỏng 95

4.4.1 Kết quả thí nghiệm 95

4.4.2 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả mô phỏng 96

Trang 6

KẾT LUẬN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH 113

ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113

Phụ lục 1 Các giá trị max của các điểm giới hạn khi khảo sát với δA=30 114

Phụ lục 2 Các giá trị max của các điểm giới hạn khi khảo sát với δA=40 125

Phụ lục 3 Một số kết quả tính sai số thí nghiệm 136

Phụ lục 3.1 Bảng giá trị tính toán sai số khi v=28km/h 136

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

G(OXYZ) Hê ̣ to ̣a đô ̣ cố đi ̣nh

C1(C1x1y1z1) Hê ̣ to ̣a đô ̣ tại trọng tâm XĐK /Xe đầu kéo/Tractor

C2(C2x2y2z2) Hê ̣ to ̣a đô ̣ tại trọng tâm SMRM/Sơ mi rơ mooc/ Semi-Trailer ĐXSMRM Đoàn xe sơ mi rơ moóc (Tractor Semi-Trailer)

LTR Hệ số phân bố tải trọng (Load Transfer Ratio)

MBS Hệ nhiều vật MBS (Multi Body System)

RA Hệ số khuếch đại gia tốc (Rearward Amplication)

RA=max(ayn)/max(ay1) 2bi m Chiều rộng cơ sở của cầu thứ i, i=1(1)4

2wi m Khoảng cách hai hệ thống treo cầu thứ i, (i=1(1)4)

l1 m Khoảng cách từ trọng tâm XĐK đến cầu xe số 1

l2 m Khoảng cách từ trọng tâm XĐK đến cầu xe số 2

Trang 8

l3 m Khoảng cách từ trọng tâm SMRM đến cầu xe số 3

l4 m Khoảng cách từ trọng tâm SMRM đến cầu xe số 4

lk1 m Khoảng cách trọng tâm XĐK đến chốt mâm xoay

lk2 m Khoảng cách trọng tâm SMRM đến chốt mâm xoay

m1 kg Khối lượng được treo XĐK

m2 kg Khối lượng được treo SMRM

mAi kg Khối lượng không được treo cầu i (i=1(1)4)

M1 kg Khối lượng XĐK M1=m1+mA1+mA2

M2 kg Khối lượng SMRM M2=m1+mA3+mA4

h1 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng được treo XĐK

h2 m Chiều cao từ mặt đường đến trọng tâm khối lượng được treo SMRM

hk1, hk2 m Chiều cao từ mặt đường đến tâm chốt và mâm xoay

exij m Khoảng dịch phản lực Fz phương dọc bánh xe ij

hRi m Chiều cao tâm quay tức thời Ri của cầu i, (i=1(1)4)

r0ij m Bán kính tự do của bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

ftij m Độ võng tĩnh lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

sij Hệ số trượt bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

αij độ Góc lệch bên bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

Cij N/m Độ cứng hệ thống treo (i=1(1)4, j=1(1)2)

Kij N/(m/s) Hệ số cản giảm chấn hệ thống treo ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

CLij N/m Độ cứng hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

KLij N/(m/s) Hệ số cản hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

Jx1 kgm2 Mô men quán tính trục x của khối lượng được treo XĐK

Jx2 kgm2 Mô men quán tính trục x của khối lượng được treo SMRM

Trang 9

Jy1 kgm2 Mô men quán tính trục y của khối lượng được treo XĐK

Jy2 kgm2 Mô men quán tính trục y của khối lượng được treo SMRM

Jz1 kgm2 Mô men quán tính trục z của XĐK

Jz2 kgm2 Mô men quán tính trục z của SMRM

JAxi kgm2 Mô men quán tính trục x của khối lượng không được treo cầu i

(i=1(1)4)

JAyij kgm2 Mô men quán tính trục y bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

MAij Nm Mô men chủ động bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

MBij Nm Mô men phanh bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

Fxij N Lực dọc bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

Fyij N Lực ngang bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

Fzij N Phản lực bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

FGij N Tải trọng tĩnh ứng với bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

FCij N Lực đàn hồi hệ thống treo thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

FKij N Lực cản giảm chấn hệ thống treo thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

FCLij N Lực đàn hồi hướng kính lốp thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

FKLij N Lực cản giảm chấn lốp bánh xe thứ ij (i=1(1)4, j=1(1)2)

F’Ri N Lực liên kết ngang khối lượng không được treo và được treo tại tâm

quay tức thời Ri (i=1(1)4) tác động từ cầu

FRi N Lực liên kết ngang khối lượng không treo và được treo tại tâm quay

tức thời Ri (i=1(1)4) tác động từ khối lượng được treo

Trang 10

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Phân loại đoàn xe 4

Hình 1.2 Sơ đồ tương tác Đường - ĐXSMRM - Người lái 6

Hình 1.3 Sự trượt ngang đoàn xe 7

Hình 1.4 Sơ đồ các dạng mất ổn định ngang ĐXSMRM 8

Hình 1.5 Hệ số RA khi thí nghiệm chuyển làn đường [63] 12

Hình 1.6 Kích thước đường khi thử nghiệm ổn định ngang theo tiêu chuẩn ISO 14791:2000 14

Hình 1.7 Đối tượng nghiên cứu 16

Hình 2.1a Hệ quy chiếu ĐXSMRM 22

Hình 2.1b Hệ lực/mô men tác dụng lên ĐXSMRM 24

Hình 2.2 Sơ đồ lực ĐXSMRM trong mặt phẳng đường XOY 25

Hình 2.3 Sơ đồ lực học XĐK trong mặt phẳng đường XOY 26

Hình 2.4 Sơ đồ lực SMRM trong mặt phẳng đường XOY 27

Hình 2.5 Sơ đồ lực tác động ĐXSMRM trong mặt phẳng XOZ 28

Hình 2.6 Sơ đồ lực tác động lên khối lượng được treo XĐK trong mặt phẳng ngang YOZ 28

Hình 2.7 Sơ đồ lực tác động lên ĐX SMRM trong mặt phẳng dọc XOZ 29

Hình 2.8 Sơ đồ lực tác động lên khối lượng được treo SMRM trong mặt phẳng ngang YOZ 30 Hình 2.9 Động lực học cầu xe thứ i 30

Hình 2.10a Bánh xe chủ động MAij>0 31

Hình 2.10b Bánh xe phanh MBij<0 31

Hình 2.10c Bánh xe bị động bị đẩy Mij=0 31

Hình 2.10d Bánh xe bị động bị kéo Mij=0 31

Hình 2.10 Động lực học bánh xe đàn hồi tổng quát 32

Hình 2.12 Hệ thống treo cân bằng với thanh cân bằng 37

Hình 2.13 Sơ đồ hệ thống treo cân bằng đòn dọc của sơ mi rơ moóc 37

Hình 2.14 Mô hình hệ thống treo 38

Hình 2.15 Đặc tính đàn hồi của hệ thống treo nhíp 38

Hình 2.16 Sơ đồ xác định lực đàn hồi hướng kính của lốp 40

Hình 2.17 Sơ đồ tính lực liên kết lốp đường 41

Hình 2.18 Các mô đun của mô hình 45

Hình 3.1 Quy luật đánh lái dạng Sin đơn khi chuyển làn đường 49

Hình 3.2 Các trạng thái chuyển làn đường 54

Hình 3.3 Đồ thị góc δ11 55

Hình 3.4 Đồ thị gia tốc ngang ay1 56

Trang 11

Hình 3.6 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ 56 1 Hình 3.7 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ 57 2 Hình 3.8 Đồ thị góc gập thân xe ψ 57 k

Hình 3.9 Đồ thị góc quay thân xe ψ1 57

Hình 3.10 Đồ thị góc quay thân xe ψ2 58

Hình 3.11 Đồ thị Fz11 58

Hình 3.19 Đồ thị tọa độ ngang Y1 60

Hình 3.29 Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=20 63

Hình 3.30 Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=2,50 63

Hình 3.32 Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với δA=3,50 63

Hình 3.35 Đồ thị tổng hợp các chỉ tiêu theo δA,v=50km/h 65

Hình 3.37 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ 67 1 Hình 3.38 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ 67 2 Hình 3.39 Đồ thị gia tốc ngang ay1 67

Hình 3.41 Đồ thị góc gập giữa hai thân xe 68

Trang 12

Hình 3.44 Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,455 Hz 69

Hình 3.46 Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với f =0,417Hz 69

Hình 3.50 Đồ thị các thông số đánh giá theo tần số đánh lái, v=50km/h 71

Hình 3.54 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ 73 1 Hình 3.55 Đồ thị vận tốc góc quay thân xe ψ 73 2 Hình 3.56 Đồ thị vận tốc góc gập thân xe ψ 74 k Hình 3.57 Đồ thị tọa độ ngang Y1 74

Hình 3.59 Đồ thị vị trí ĐXSMRM ở t=5s với v=46 km/h 75

Hình 3.65 Đồ thị các thông số đánh giá theo vận tốc xe 77

Hình 3.66 Đồ thị vùng tốc độ đánh lái theo vận tốc xe khi δA=30 82

Hình 3.67 Đồ thị vùng tần số đánh lái theo vận tốc xe khi δA=30 83

Hình 3.68 Đồ thị vùng RA theo vận tốc xe khi δA=30 83

Hình 3.69 Đồ thị vùng tốc độ đánh lái theo vận tốc đoàn xe khi δA=40 84

Hình 3.70 Đồ thị vùng tần số đánh lái theo vận tốc đoàn xe khi δA=40 85

Hình 3.71 Đồ thị vùng RA theo vận tốc đoàn xe khi δA=40 85

Hình 4.1 Đoàn xe sơ mi rơ moóc thí nghiệm 87

Hình 4.2 Sơ đồ vị trí gắn cảm biến 88

Hình 4.3 Cảm biến MMA7361L 89

Hình 4.4 Cảm biến đo vận tốc góc encoder 90

Hình 4.5 Hộp xử lý tín hiệu & kết nối máy tính NI USB-6210 91

Hình 4.6a Sơ đồ liên kết cảm biến thí nghiệm quay vòng ĐXSMRM 92

Trang 13

Hình 4.6b Sơ đồ chân kết nối cảm biến thí nghiệm quay vòng ĐXSMRM 92

Hình 4.7 Sơ đồ vị trí thí nghiệm 93

Hình 4.8 Cân xác định tải trọng trước khi thí nghiệm 94

Hình 4.9 Xe tưới nước cho trường hợp đường ướt 94

Hình 4.10 Đồ thị so sánh vận tốc xe 97

Hình 4.11 Đồ thị so sánh góc δ11 97

Hình 4.12 Đồ thị so sánh ayP1 98

Trang 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN ÁN

Bảng 1.1 Số tai nạn do xe tải lớn chuyển làn đường theo mức độ nghiêm trọng ở Mỹ 10

từ 2001 đến 2005 10

Bảng 1.2 Hệ số bám của một số loại đường theo R W Allen [52] 18

Bảng 3.1 Các phương án khảo sát 50

Bảng 3.2 Các thông số khảo sát khi đầy tải và không tải 51

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu theo biên độ góc lái, v=50km/h 64

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu theo tần số đánh lái, v=50km/h 70

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu theo vận tốc xe 76

Bảng 3.6 Vùng khảo sát chuyển làn đường theo tần số lái và vận tốc xe ở δA bằng 30 79

Bảng 3.7 Vùng khảo sát chuyển làn đường theo tần số lái và vận tốc xe ở δA bằng 40 80

Bảng 3.8 Giá trị các thông số điều khiển và phản ứng với δA=30 82

Bảng 3.9 Giá trị các thông số điều khiển và phản ứng với δA=40 84

Bảng 4.1 Các thông số thí nghiệm 88

Bảng 4.2 Bảng các phương án thí nghiệm 94

Bảng 4.3 Các chỉ tiêu so sánh giữa thí nghiệm và mô phỏng khi vận tốc xấp xỉ 28km/h 99

Bảng 4.4 Chỉ tiêu hệ số tương quan Pearson giữa mô phỏng và thí nghiệm 104

Bảng 4.5 Chỉ số RMSE giữa mô phỏng và thí nghiệm 105

Trang 15

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án

Để nâng cao công suất vận chuyển trên một đơn vị công suất động cơ, với sự phát triển của hệ thống giao thông, các nước Tây Âu, Mỹ và Nhật Bản đã thiết kế nhiều loại đoàn xe Với kích thước và khối lượng lớn, đoàn xe đã cho thấy hiệu quả của việc vận chuyển các loại hàng hóa, đặc biệt là đối với hàng hóa chuyên dùng Ở Việt Nam, đoàn xe sơ mi rơ moóc (gọi tắt là ĐXSMRM) bao gồm xe đầu kéo (XĐK) và sơ mi rơ moóc (SMRM) là loại đoàn xe được sử dụng tương đối phổ biến Khi quay vòng, ĐXSMRM thường dễ bị mất ổn định ngang Mất ổn định ngang gồm: (i) mất ổn định hướng (Yaw Instability), (ii) mất ổn định lật ngang (Roll Instability) Tai nạn giao thông xảy ra đối với ĐXSMRM do nhiều nguyên nhân, trong đó chủ yếu là do đoàn xe mất ổn đi ̣nh chuyển đô ̣ng trên đường khi tăng tốc, khi phanh, khi vươ ̣t xe, tránh chướng nga ̣i vâ ̣t, khi cha ̣y trên đường có hệ số bám thấp hoặc khi đoàn xe đi vào đường vòng Hành lang chuyển động của đoàn xe cũng là yếu tố quan trọng khi thiết kế đường Giữa XĐK và SMRM có quan hệ liên kết động lực học qua khớp nối, thường người lái khó nhận biết phản ứng của SMRM nên nhiều khi không có khả năng điều khiển nhằm giảm sự mất ổn định chuyển động khi chuyển làn Vì vâ ̣y viê ̣c nghiên cứu đô ̣ng lực ho ̣c đoàn xe nói chung và nghiên cứu mất ổn định khi chuyển làn của đoàn xe no ́ i riêng là vấn đề có ý nghĩa cấp bách hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam

Mục tiêu nghiên cứu

Khi chuyển làn đường, nếu trượt ngang dẫn đến va chạm có thể làm đoàn xe lật ngang Nghiên cứu xác định vùng điều khiển để đoàn xe sơ mi rơ moóc khi chuyển làn mà không bị vi

phạm làn đường có thể làm cơ sở khi thiết kế các hệ thống cảnh báo và hệ thống điều khiển làm

tăng tính ổn định chuyển động; hạn chế vi phạm làn đường

Đối tượng nghiên cứu

Đoàn xe sơ mi rơ moóc 4 cầu gồm gồm XĐK 2 cầu MAZ 543203-220 [3] và SMRM 2 cầu có ký hiệu DV-CSKS-400NA [4] được chọn làm đối tượng nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu xác định trạng thái ổn định quỹ đạo chuyển động ĐXSMRM, luận án tiến hành kết hợp hai phương pháp:

- Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình hóa đoàn xe theo phương pháp hệ nhiều vật; sử dụng mô

hình mô phỏng nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến mất ổn định quỹ đạo ĐXSMRM khi chuyển làn đường;

- Nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm động lực học đoàn xe trên đường phẳng khi đánh

lái hình Sin để kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM đã thiết lập

Trang 16

Phạm vi nghiên cứu

Sự mất ổn định quỹ đạo có thể xảy ra khi xe quay vòng hoặc chuyển làn đường Trong

khuôn khổ của luận án, NCS khảo sát quá trình chuyển làn đường và xác định sự vi phạm làn đường nhằm tránh quá trình lật vấp dẫn tới tai nạn Luận án lựa chọn phạm vi nghiên cứu là

sự vi phạm làn đường với loại đường có hệ số bám φxmax bằng 0,5 làm đầu vào cho các phương

án khảo sát đến xác định vùng chuyển động an toàn khi chuyển làn tránh va chạm

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số sử dụng như góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số đánh lái của quy luật đánh lái hình Sin và vận tốc đoàn xe ổn định dẫn tới vi phạm làn đường của ĐXSMRM khi chuyển làn trên đường phẳng có hệ số bám thấp và hệ số bám hai bên giống nhau Từ đó, nghiên cứu phương pháp xác định vùng chuyển làn đường thừa, chuyển làn đường thiếu và chuyển làn đường đủ làm cơ sở để thiết kế các hệ thống điều khiển hoặc hệ thống cảnh báo sau này

Nội dung luận án

Bố cục của luận án được trình bày theo 4 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Mô hình động lực học ĐXSMRM nghiên cứu chuyển làn đường

- Chương 3: Khảo sát ổn định quỹ đạo ĐXSMRM khi chuyển làn đường

- Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

Những kết quả mới của luận án

1 Luận án đã xây dựng được mô hình 28 bậc tự do cho đoàn xe sơ mi rơ moóc với XĐK

2 cầu và SMRM 2 cầu Mô hình có thể khảo sát được các trạng thái ổn định quỹ đạo với các quy luật đánh lái khác nhau;

2 Luận án đã khảo sát được ảnh hưởng của các thông số như biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số đánh lái và vận tốc xe khi chuyển làn đường đến sự vi phạm làn đường ĐXSMRM chuyển làn;

3 Luận án đã xác định được vùng điều khiển theo hai thông số là tần số đánh lái và vận tốc đoàn xe ở một biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng cụ thể làm cơ sở để thiết kế các

hệ thống cảnh báo và điều khiển khi ĐXSMRM chuyển làn đường;

4 Luận án đã lựa chọn được phương pháp và xây dựng hệ thống thí nghiệm để kiểm chứng

mô hình ĐXSMRM khi chuyển làn đường

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Luận án đã xây dựng được mô hình đoàn xe sơ mi rơ moóc để nghiên cứu các quá trình mất ổn định quỹ đạo chuyển động Mô hình có thể ứng dụng để nghiên cứu động lực học chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc Đã sử dụng mô hình để khảo sát được ảnh

Trang 17

hưởng của một số thông số điều khiển đến ổn định quỹ đạo khi chuyển làn đường đặc trưng

Ý nghĩa khoa học của luận án

- Phương pháp xây dựng mô hình và mô hình động lực học được xây dựng trong luận án

có ứng dụng để khảo sát quỹ đạo chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc Phương pháp xác định vùng điều khiển theo hai thông số có ý nghĩa thực tiễn và khoa học trong nghiên cứu cảnh báo và điều khiển chống vi phạm làn đường khi đoàn xe sơ mi rơ moóc chuyển làn đường;

- Luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà sản xuất trong quá trình nghiên cứu cải tiến hoặc thiết kế mới nhằm tăng tính ổn định quỹ đạo

Trang 18

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Xu thế phát triển đoàn xe, vấn đề mất ổn định chuyển động và tính cấp thiết

Hình 1.1 Phân loại đoàn xe

Hiê ̣n nay, số lượng hàng hóa vâ ̣n chuyển bằng đoàn xe chiếm tỉ lê ̣ rất cao Theo thống kê của Eurostat xe tải lớn vâ ̣n chuyển khoảng 50% tổng lượng hàng hóa chuyên chở của các nước, cá biê ̣t Phần Lan là 57%, Thụy Điển là 52% [49] Tình hình sử du ̣ng đoàn xe ở Châu Âu trong những năm gần đây cũng phát triển rất ma ̣nh Theo Eurostat trong năm 2012 số lượng đoàn xe ở các nước Châu Âu tăng lên nhanh chóng: Pháp có 313.000, Đức 287.654, Phần Lan 277.308, Tây Ban Nha 251.766, Thổ Nhĩ Kỳ 207.324, Hà Lan 132.334, Ý 100.885 chiếc Ở Viê ̣t Nam

Trang 19

hiê ̣n nay số lượng đoàn xe chủ yếu là sơ mi rơ moóc, phát triển rất nhanh, đă ̣c biê ̣t là ở các đi ̣a phương có nhiều bến cảng, khu công nghiê ̣p Tính đến tháng 9 năm 2012 thành phố Hồ Chí Minh có hơn 9.000 ĐXSMRM [16] Đến tháng 9/2014 Hải Phòng có gần 6.000 ĐXSMRM [1] Khái niệm đoàn xe là tổ hợp các xe đơn: (i) Đoàn xe kéo moóc độc lập (Truck /tractor-full trailer) gồm xe tải/xe đầu kéo kéo một hay nhiều moóc độc lập (full trailer); (ii) Đoàn xe

sơ mi rơ moóc (Tractor semi-trailer) gồm XĐK (tractor) kéo SMRM (semi-trailer) và kéo theo một số moóc độc lập hoặc SMRM Trong khuôn khổ luận án này, đoàn xe gồm XĐK và SMRM (Tractor semi-trailer) được lựa chọn để nghiên cứu, hình 1.1

1.1.2 Tai nạn Giao thông

Hiện nay, vấn đề an toàn giao thông đang là nỗi lo chung của Thế Giới Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới WHO công bố tháng 5/2007, trung bình mỗi năm tai na ̣n giao thông làm chết khoảng 1,25 triê ̣u người và làm bi ̣ thương từ 20 đến 50 triê ̣u người [56] Ở Mỹ, theo

số liệu phân tích của Ủy ban quản lý an toàn xe cơ giới (FMCSA-RRA, Mỹ) trong 3 năm qua 2013-2015 có khoảng 4.5% số vụ tai nạn liên quan đến xe tải nặng và xe bus Cũng theo thống

kê của tổ chức này, trong vòng 20 năm từ 1995-2015, trên toàn nước Mỹ có khoảng 1,9 triệu

vụ tai nạn liên quan đến xe tải nặng và xe bus, gây ra số lượng người tử vong hoặc thương tật lên đến gần 3 triệu người Trung bình mỗi năm có khoảng 15 ngàn vụ tai nạn lật xe tải nặng, trong đó có hơn 9 ngàn ĐXSMRM [62] ĐXSMRM có có đặc điểm là kích thước và khối lượng lớn nên dễ mất ổn định chuyển động và gây tai nạn giao thông Hà Lan cho phép chiều dài tối

đa 25,25m, khối lượng tối đa 60.000kg (các nước Bắc Âu tương ứng 18,75m và 50.000kg) Ở Viê ̣t Nam, Theo thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia năm 2016 cả nước xảy ra 21.589 vụ tai nạn giao thông, làm 8.685 người chết và 19.280 người bị thương [2] Trong 5 năm (tính từ 16/11/2010 đến 15/10/2015), toàn quốc xảy ra 158.125 vụ tai nạn giao thông, làm chết 48.015 người, bị thương 162.058 [9]

Tai na ̣n giao thông xảy ra đối với ĐXSMRM do nhiều nguyên nhân, trong đó nguyên nhân chủ yếu là do đoàn xe mất ổn đi ̣nh chuyển đô ̣ng trên đường khi tăng tốc, khi phanh, khi vươ ̣t xe, tránh chướng nga ̣i vâ ̣t, khi cha ̣y trên đường có hệ số bám thấp hoặc khi đoàn xe đi vào đường vòng Ngoài ra, hành lang chuyển động của đoàn xe cũng là yếu tố quan trọng khi thiết

kế đường Nếu đường có hệ số bám thấp, dù gia tốc ngang không lớn, nó sẽ trượt ngang và vấp phải lề đường, đoàn xe có thể bị lật Nếu đường có hệ số bám lớn, đoàn xe có thể chuyển động

với vận tốc lớn, khi quay vòng sẽ có gia tốc ngang lớn và do khả năng bám ngang tốt nên đoàn

xe không có khả năng trượt ngang Khi phanh, khi tăng tốc, nhất là trong đường vòng, các cầu/các bánh xe có thể bị bó cứng và lực ngang có thể giảm mạnh, xe có thể trượt (i) cầu trước, (ii) cầu sau XĐK và (iii) cầu sau của SMRM như hình 1.3 Khi trượt, đoàn xe có thể va chạm vào lề đường hoặc các phương tiện tham gia giao thông khác hoặc có thể là các mấp mô của

Trang 20

mặt đường và đó là các nguyên nhân dẫn đến lật ngang, gọi là lật vấp

1.1.3 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Hình 1.2 trình bày hệ thống “Đường-Xe-Người” Khi chuyển động, lái xe thực hiện các thao tác điều khiển như ga, phanh, quay vô lăng Những phản ứng đó nhiều khi là chủ quan Đoàn xe sơ mi rơ moóc chuyển động trong môi trường giao thông được đặc trưng bởi mật độ giao thông, mấp mô mặt đường, hệ số bám (điều kiện ngoại cảnh) Mỗi đoàn xe có cấu trúc riêng; đặc biệt đoàn xe là tổ hợp của các khâu liên kết qua khớp yên ngựa Khi đoàn xe bị điều khiển, nhất là quay vô lăng, tùy thuộc hàm đánh lái và vận tốc xe, tùy vào điều kiện đường cũng như cấu trúc đoàn xe, phản ứng của đoàn xe có thể không như ý định của lái xe: ĐXSMRM có thể mất ổn định

Hình 1.2 Sơ đồ tương tác Đường - ĐXSMRM - Người lái

Đặc điểm của bánh xe đàn hồi là biến dạng theo cả 3 phương Khả năng truyền lực đặc

trưng bởi “truyền lực khớp+đàn hồi và ma sát” Pha thứ nhất là truyền lực khớp (do ăn khớp tế

vi giữa lốp và đường) và truyền lực đàn hồi; kết thúc đàn hồi sự truyền lực đạt giá trị tới hạn

bám (đạt tới hạn bám), chuyển sang pha thứ 2 là trượt ma sát Nếu còn tồn tại pha đàn hồi thì phương ngang còn có khả năng ổn định; nếu rơi vào vùng trượt ma sát thì không có khả năng

ổn định Đối với đoàn xe sơ mi rơ moóc có 3 cụm cầu thì sự trượt ngang có thể xuất hiện không đồng thời và không theo thứ tự nào Khi cầu trước trượt trước có thể mất lái, khi cầu giữa trượt trước có thể bị gập thân xe, khi cầu sau bị trượt trước có thể đẫn đến sự dao động của SMRM

quanh trục quay đứng của khớp nối, hình 1.3

Trang 21

Sự trượt ngang của đoàn xe: So với xe đơn, ĐXSMRM có cấu tạo gồm 3 phần cơ bản là XĐK,

SMRM và khớp nối Khi đoàn xe chuyển động chịu các tác động từ người lái, đường, ngoại

cảnh (hình 1.2) bao gồm:

+ Tác động của người lái: Ga (tăng tốc MAij), phanh (MBij) và quay vòng (δij)

+ Ảnh hưởng của đường: Liên kết lốp-đường thể hiện qua hệ số bám (φijmax, φijmin) và biên dạng đường hij Trong nhiều nghiên cứu về ổn định chuyển động ĐXSMRM thường giả thiết xe đi trên đường phẳng khi đó có thể coi hij bằng 0;

Hình 1.3 Sự trượt ngang đoàn xe

+ Tác động ngoại cảnh: Đối với XĐK thì tác động lực cản khí động theo phương dọc được chú ý nhiều Còn đối với SMRM, đặc biệt trong các bài toán ổn định ngang thì lực gió ngang lại là thành phần ảnh hưởng rất lớn do diện tích cản lớn;

+ Tác động hệ thống điều khiển tích cực (nếu có): Hiện nay không chỉ có trên các loại xe đơn, mà ngay trên các loại xe lớn cũng đã và đang nghiên cứu, lắp đặt các hệ thống tích cực như: ABS/TCS, thanh ổn định tích cực

Đoàn xe có 3 cụm cầu, tùy theo trạng thái vật lý của các cầu mà ĐXSMRM có 3 dạng trượt ngang như hình 1.3 Hình 1.3a tượng trưng cho dao động SMRM: động lực học ngang bánh xe vẫn trong vùng tuyến tính và ổn định nhưng nếu biên độ lớn có thể va chạm vào lề đường dẫn đến lật vấp Hình 1.3b là trạng thái trượt ma sát cầu 3, đoàn xe dễ rơi vào mất ổn định hướng và có thể bị lật ngang Hình 1.3c là trạng thái cầu giữa trượt ngang và dẫn tới hiện tượng gập thân xe Ta có sơ đồ các dạng mất ổn định ngang như (hình 1.4)

Trang 22

Hình 1.4 Sơ đồ các dạng mất ổn định ngang ĐXSMRM

Trong thực tế có hai phản ứng điều khiển đặc trưng là chuyển làn và phanh, hai quá trình này có thể dẫn đến mất ổn định: mất ổn định hướng và mất ổn định lật Trong luận án này tác giả nghiên cứu quá trình mất ổn định hướng Mất ổn định hướng (trượt ngang của một cầu) sẽ xảy ra khi bánh xe trượt ma sát phương ngang Tuy nhiên, nếu bánh xe vẫn chưa trượt ma sát, còn trong vùng đàn hồi, nghĩa là còn ổn định hướng, nhưng nếu vượt làn đường (va chạm) vẫn

có thể dẫn đến lật ngang, gọi là lật vấp Trong khuôn khổ luận án này quá trình “chuyển làn-vi phạm hành lang” được nghiên cứu để xác định giới hạn vi phạm làn đường nhằm tránh dẫn đến lật vấp cho mục tiêu cảnh báo hoặc điều khiển chống vi phạm hành lang

Trên thực tế, khi quay vô lăng, tùy vào vận tốc, hệ số bám, góc và vận tốc góc quay bánh

xe dẫn hướng ĐXSMRM có thể mất ổn định; khi phanh, kể cả phanh trên đường thẳng, vẫn có thể xảy ra các dạng mất ổn định khác nhau Có 2 dạng mất ổn định: mất ổn định hướng (Yaw instability) và mất ổn định lật (Rollover Instability) Quá trình trượt xảy ra trước, kết thúc thì mới xảy ra lật (nếu trượt thì không lật) Vì vậy, có thể nghiên cứu 2 quá trình (pha) biệt lập, nhưng có quan hệ tương hỗ Theo Bouteldja [26, 27], quá trình trượt có 3 dạng như hình 1.3, thường xuất hiện khi đường có hệ số bám thấp; bánh xe bó cứng khác nhau khi phanh Khi trượt ngang, cho dù còn trong vùng ổn định, ĐXSMRM có thể va chạm ngang, dẫn đến lật ngang, gọi là lật vấp (Tripped Rollover) Khi quay vòng, nếu đường có hệ số bám cao, có thể đạt gia

Trang 23

tốc ngang lớn mà chưa trượt ngang, ĐXSMRM sẽ lật, gọi là lật quán tính (Maneuver Rollover instability) Ta thấy trượt và lật đan xen nhau rất phức tạp

Trong thực tế, trạng thái chuyển làn đường là thường xuyên, đối với ĐXSMRM có thể xuất hiện 3 dạng trượt ngang như hình 1.3; cho dù còn ổn định ngang (vùng tuyến tính) nhưng khi vi phạm làn đường (va chạm ngang) xe vẫn có thể lật vấp Vì thế nghiên cứu trạng thái giới

hạn lật vấp khi chuyển làn là cần thiết

Do kết cấu liên kết bởi khớp nối nên sự mất ổn định của ĐXSMRM phức tạp hơn xe đơn rất nhiều: động lực học phương thẳng đứng ảnh hưởng nhiều đến phân bố lại tải trọng của XĐK Khối lượng của SMRM có một phần đặt lên cầu sau của XĐK qua khớp nối Điều đó ảnh hưởng lớn đến ổn định cả đoàn xe trong một số trường hợp tải trọng thẳng đứng đặt tại khớp tăng nhanh khi đi trên đường trơn, phanh ngặt, đi trên đường vòng hoặc do sự thay đổi tải trọng Sự mất ổn định ngang thường xảy ra khi quay vòng, nhất là khi chuyển làn

Cần nhấn mạnh thêm, Mất ổn định trượt (Yaw Instability) gây ra do quá trình phanh hoặc

kết hợp giữa phanh và quay vô lăng gắn với việc các bánh xe bị bó cứng dẫn đến mất lực ngang, kết quả là xe bị gập (Jackknife) Gập thân xe đặc trưng bởi chuyển động góc tương đối lớn của hai thân xe quanh trục thẳng đứng Gập thân xe là trạng thái thường gây tai nạn, khi các cầu xe trượt ngang nhanh, thường xảy ra trên đường giao thông có hệ số bám thấp

Phản ứng mất ổn định trượt do đánh lái nhanh dẫn đến gập thân xe cũng có thể cả lật xe Mất ổn định trượt của ĐXSMRM thể hiện trong khái niệm dao động góc SMRM quanh trục đứng của khớp yên ngựa hoặc gập thân xe quanh trục đứng của khớp nối Khi bị trượt, XĐK

có thể bị SMRM đẩy sang bên làm xuất hiện hiện tượng mất ổn định hướng chuyển động

Mất ổn định quỹ đạo chuyển động: Khi chuyển động, 3 cụm cầu ĐXSMRM có thể trượt

độc lập theo 2 pha là trượt đàn hồi và ma sát (trượt lết ngang) Cho dù sự trượt vẫn trong pha

ổn định (pha đàn hồi) thì ĐXSMRM cũng đã có thể vi phạm làn đường (làn đường là giới hạn)

và dẫn đến lật Như vậy khái niệm”mất ổn định quỹ đạo chuyển động” chưa thật chính xác; có

thể sử dụng cụm từ “vi phạm hành lang quét”

Sự lệch quỹ đạo chuyển động xảy ra khi xe chuyển động không theo mong muốn của người lái Trong thực tế, khi tham gia giao thông, đoàn xe luôn chỉ được phép di chuyển trên các làn đường được quy định theo hệ thống giao thông Mỗi làn đường thường được quy định

độ rộng theo tiêu chuẩn của hệ thống giao thông như tiêu chuẩn làn đường ô tô Sự quy định làn đường và mật độ phương tiện giao thông ngày một tăng dẫn đến người lái khi điều khiển xe thường phải điều khiển để xe luôn nằm trong làn đường an toàn Tuy nhiên, với các điều kiện chuyển động thực tế thì có nhiều lúc xe bị vi phạm làn đường (xe chuyển động sang làn đường khác, hoặc ra khỏi đường) đặc biệt là đối với các loại xe có kích thước lớn như ĐXSMRM Trong thực tế các yếu tố của môi trường luôn luôn thay đổi, dẫn tới thay đổi mối tương quan

Trang 24

chuyển động của ô tô trên nền đường Người lái luôn có các tác động điều chỉnh để có thể thu được các chuyển động mong muốn Như vậy mô hình của hệ thống điều khiển ô tô là một mô hình có phản hồi (close-loop) Tuy nhiên trong điều kiện hiện nay, việc nghiên cứu một mô hình có phản hồi là một việc không dễ thực hiện Nếu ô tô mất ổn định điều khiển dễ dẫn tới mất an toàn chuyển động

Như vậy ba dạng mất ổn định lật, mất ổn định trượt và sự vi phạm làn đường là các quá trình động lực học đoàn xe, phụ thuộc cấu trúc đoàn xe, điều kiện đường và phản ứng của người lái Ngoài ra, giữa XĐK và SMRM có quan hệ liên kết động lực học qua khớp nối, thường người lái khó nhận biết phản ứng của moóc nên nhiều khi không có khả năng điều khiển Vì

vâ ̣y viê ̣c nghiên cứu đô ̣ng lực ho ̣c đoàn xe nói chung và nghiên cứu vi phạm chuyển làn đường của đoàn xe nói riêng là vấn đề có ý nghĩa cấp bách hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam Ở Việt Nam không

có thống kê về tai nạn do chuyển làn đường nhưng bảng 1.1 chỉ ra số tai nạn ở Mỹ từ 2001 đến

2005 cho thấy cần quan tâm đến tai nạn do nguyên nhân chuyển làn đường

Bảng 1.1 Số tai nạn do xe tải lớn chuyển làn đường theo mức độ nghiêm trọng ở Mỹ

từ 2001 đến 2005 Loại tai nạn Chỉ tổn thất tài sản Chấn thương Tử vong Tổng cộng

Các nghiên cứu về hệ thống cảnh báo vi phạm làn đường cho hệ thống giao thông thông minh được xây dựng thành bộ tiêu chuẩn cho xe đơn theo tiêu chuẩn ISO17361:2007 [24, 37] Hiện nay các hệ thống cảnh báo cho đoàn xe đang được nghiên cứu nhằm giảm sự va chạm khi chuyển làn đường

1.2 Tình hình nghiên cứu của Thế giới và Việt Nam về ổn định quỹ đạo chuyển động

1.2.1 Tình hình nghiên cứu của Thế giới

(a) Mô hình động lực học đoàn xe

Đối với đoàn xe, với kích thước lớn, khối lượng lớn và kết cấu nhiều thân thì ổn định quỹ đạo khi chuyển động là vấn đề phức tạp Để có thể nghiên cứu về ổn định quỹ đạo chuyển động, cần phải có các tính toán thử nghiệm chính xác trong các điều kiện chuyển động cụ thể Các nghiên cứu quỹ đạo bằng các mô hình tĩnh học không thể hiện đầy đủ đặc tính vật lý của đoàn

xe Ngày nay, các nghiên cứu thường sử dụng các mô hình động lực học để thiết lập các phương trình chuyển động và xác định quỹ đạo chuyển động từ đó xác định các trạng thái mất ổn định quỹ đạo trong một số trạng thái đặc trưng như chuyển làn đường hoặc quay vòng

Trang 25

Schmid [57] nghiên cứu ổn định động lực học cuả đoàn xe bằng phân tích hệ phương trình tuyến tính Nghiên cứu chỉ ra các thông số sau có ảnh hưởng tốt đến ổn định hướng của ĐXSMRM Các tác giả Collins và Wong [29] chỉ ra các thông số tải lên mâm xoay, chiều dài

xe moóc, trọng lượng và mô men quán tính và một ít thay đổi áp suất lốp xe kéo có thể ảnh hưởng đến ổn định của SMRM

Trên thế giới đã có rất nhiều các nhà khoa học cũng như các công trình nghiên cứu khoa học đã nghiên cứu nhiều khía cạnh khác nhau để xây dựng quỹ đạo chuyển động của ô tô Những lý thuyết cơ bản về đoàn xe đã được nghiên cứu từ những năm 1970 Đặc tính ổn định

và quay vòng của đoàn xe được nghiên cứu một cách rộng rãi qua việc phát triển và phân tích nhiều mô hình động lực học ô tô Các nghiên cứu ổn định tĩnh được Fancher [34] công bố Các

mô hình đoàn xe gần đây được Dugoff và Murphy công bố [31] Mô hình động lực học đoàn

xe trong mặt phẳng nền được Jindra [40, 41] công bố sử dụng hệ phương trình tuyến tính để

mô tả chuyển động đoàn xe trong mặt phẳng đường Chuyển động phương thẳng đứng, chuyển động lắc dọc, lắc ngang được bỏ qua khi xây dựng mô hình; các lực bánh xe khi phanh và quay vòng được mô tả tuyến tính Các mô hình như vậy có thể chỉ ra dao động ngang của SMRM nhưng không thể đưa ra các thông tin nội hàm của quá trình gập thân xe quanh trục z và động lực học ngang của ĐXSMRM

(b) Tiêu chí đánh giá

Tác giả John Billing [42] nghiên cứu mô phỏng động lực học của ĐXSMRM trong các trường hợp quay vòng và chuyển làn đường ở tốc độ cao Các kết quả chỉ ra sự liên hệ giữa kích thước và yếu tố ổn định với các thông số đánh giá là độ lệch trọng tâm, độ dịch chuyển ngang và hệ số phân bố tải trọng LTR (Load Transfer Ratio) Các thông số đánh giá này có xu hướng tăng khi các thông số sử dụng và thông số kết cấu tăng Tác giả Fancher và Wrinkle [35]

nghiên cứu phương pháp xác định hệ số khuếch đại gia tốc RA (Rearward Amplification):

RA=max(ayn)/max(ay1) cho các xe kéo nhiều SMRM bằng thí nghiệm với quy luật đầu vào dạng Sin và với các trạng thái chuyển làn đường thừa và chuyển làn đường thiếu thông qua đánh giá

sự lệch trọng tâm so với tâm đường mong muốn

Rusi Rusev [55] đã nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc xe đến ổn định ĐXSMRM khi chuyển làn đường Từ đó đề xuất thuật toán điều khiển bán tích cực nhằm tăng tính ổn định chuyển động với các trạng thái chuyển động khác nhau Mục tiêu của các nghiên cứu là xác định quỹ đạo chuyển động từ đó đề xuất các mức cảnh báo hoặc thiết lập các hệ thống điều khiển phù hợp nhằm đảm bảo quỹ đạo ô tô chuyển động an toàn

Harmed [36] có nghiên cứu xác định quỹ đạo chuyển động bằng mô hình động lực học

và sử dụng thuật toán điều khiển LQR để thiết lập hệ thống điều khiển tăng tính ổn định chuyển

Trang 26

động của ĐXSMRM trong một số trạng thái chuyển động như quay vòng, chuyển làn đường.Wieslaw [63] thí nghiệm xác định khả năng ổn định chuyển động của ĐXSMRM theo các điều kiện thử nghiệm của tiêu chuẩn ISO14791:2000 [38] với các thông số đánh giá là hệ

số RA, độ lệch trọng tâm, góc gập thân xe trong các trường hợp chuyển động tương tự như tiêu chuẩn ISO Một số kết quả thí nghiệm của Wieslaw [63] cho thấy, với các vận tốc nhỏ hơn 60 km/h thì hệ số RA nhỏ hơn 0,9 như hình 1.5

Hình 1.5 Hệ số RA khi thí nghiệm chuyển làn đường [ 63 ]

Li Mai và các tác giả [45] đưa ra thuật toán nghiên cứu ổn định chuyển động của ĐXSMRM Nghiên cứu đánh giá phản ứng của ĐXSMRM khi phanh ở các cầu khác nhau nhằm tăng tính ổn định cho ĐXSMRM

Xiujian [64] có nghiên cứu hệ thống điều khiển ĐXSMRM dựa trên phần mềm Fuzzy Logic để đảm bảo các tiêu chí ổn định ngang khi chuyển làn đường Mục tiêu của nghiên cứu

là xác định các trạng thái mất ổn định và có các bước điều khiển phù hợp khi xe bắt đầu có khả năng mất ổn định

Jihan Ryu [39] có nghiên cứu động lực học ô tô có tích hợp hệ thống GPS để xác định vị trí của xe trên đường từ đó có các hướng điều khiển hướng phù hợp nhằm tăng tính an toàn chuyển động cho ô tô Tự lái là một xu thế tất yếu không chỉ cho xe chở người mà còn đối với các loại xe tải lớn [20]

Hãng Volvo [22] đã công bố các nghiên cứu và thử nghiệm về hệ thống lái tự động dành cho xe đầu kéo Volvo cho biết công nghệ lái xe tiên tiến của họ được hỗ trợ bởi một hệ thống camera và cảm biến radar, cả hai sẽ kết hợp để phát hiện các vật bằng kim loại, xe đứng yên hoặc đang phanh ở phía trước xe tải Nó cũng hỗ trợ kiểm soát hành trình để duy trì khoảng cách an toàn với các xe phía sau Nếu một chiếc xe phía trước chậm lại, hệ thống bán tự động của Volvo sẽ cảnh báo người lái xe và nếu cần thiết nó sẽ tự động giảm ga hoặc phanh và về

số Một số thử nghiệm đã được thực hiện khi đoàn xe đi xuyên Châu Âu bằng công nghệ lái tự động [19]

Trang 27

1.2.2 Tình hình nghiên cứu của Việt Nam

Ở Việt Nam hiện nay không có nhiều nghiên cứu liên quan đến đề tài ổn định đoàn xe Vấn đề liên quan động lực học chuyển động của đoàn xe (tài liệu, các nghiên cứu, thí nghiệm) không được đề cập nhiều

Tác giả Nguyễn Ngọc Tú [10] trình bày về vấn đề mất ổn định của xe kéo moóc Full trailer) Đây là loại đoàn xe có kết cấu khác với kết cấu ĐXSMRM Nghiên cứu đã thiết lập mô hình động lực học đoàn xe thông qua việc tách riêng các mô hình chuyển động, dao động dọc và ngang Các kết quả đưa ra là một số trạng thái chuyển động khi quay vòng và phanh có thể gây ra mất ổn định chuyển động

(Truck-Nghiên cứu của Nguyễn Thanh Tùng [12, 13] tập trung vào vấn đề phanh ĐXSMRM Các nghiên cứu này xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM bằng phương pháp hệ nhiều vật với các mô hình con xác định các lực và mô men liên kết Các kết quả khảo sát tập trung vào phân tích trạng thái xe chuyển động trong mặt đường Các kết quả thể hiện ảnh hưởng của

sự phanh đoàn xe đến vấn đề hiệu quả phanh và ổn định chuyển động trong các đường có hệ số bám khác nhau từ đó có đề xuất các giải pháp giảm sự mất ổn định hướng khi phanh Sự thay đổi của trạng thái phanh ảnh hưởng rất lớn đến mất ổn định chuyển động của ĐXSMRM

1.3 Các chỉ tiêu, thông số đánh giá mất ổn định quỹ đạo chuyển động

Trên Thế Giới người ta sử dụng hiệu góc lệch bên bánh xe để đánh giá theo đặc tính quay vòng Phương pháp này chỉ dùng cho mô hình một dãy, tuyến tính Với ĐXSMRM người ta sử dụng hệ số khuếch đại gia tốc RA, hệ số phân bố tải trọng LTR như đã nêu ở trên

ĐXSMRM với kết cấu hai thân liên kết với nhau qua khớp nối nên tính chất ổn định quỹ đạo là phức tạp dẫn đến sự vi phạm hành lang đường cũng là phức tạp Sự vi phạm này có thể

xảy ra ở XĐK hoặc SMRM Khi nghiên cứu ổn định quỹ đạo chuyển động của ĐXSMRM thì dấu hiệu dễ nhận thấy sự vi phạm làn đường là các điểm giới hạn xe đã vượt ra làn đường Để

có thể xác định các dấu hiệu này cần phải thiết lập sự chuyển động của ĐXSMRM trong hệ quy chiếu cố định Trong thực tế, người lái có thể quan sát sự vi phạm này thông quá các gương chiếu hậu hoặc camera Trong nhiều trường hợp thì người lái xe có khả năng quan sát được nhưng cũng không đủ thời gian phản ứng hoặc phản ứng không kịp Các tín hiệu từ các camera quan sát hoặc tín hiệu GPS là các thông tin có thể được sử dụng cho các hệ thống cảnh báo hoặc điều khiển [39] ĐXSMRM khi chuyển làn đường thường xảy ra hiện tượng vi phạm làn đường

Sự vi phạm làn đường có thể xảy ra khi xe phanh trên đường thẳng, quay vòng hoặc chuyển làn đường để tránh hoặc vượt xe khác Sự vi phạm làn đường có thể gây ra sự va chạm với thành

lề đường hoặc các phương tiện di chuyển khác Đánh giá ổn định ngang khi chuyển làn đường hiện nay chưa có ngưỡng, tiêu chuẩn nào có thể xác định được ngưỡng chuyển động của đoàn

xe sơ mi rơ moóc Hình 1.6 là sơ đồ quỹ đạo thí nghiệm theo tiêu chuẩn ISO 14791:2000: 30m

Trang 28

đầu tăng tốc đến vận tốc cần thử nghiệm; 30m kế chạy thẳng ổn định và quay vô lăng chuyển làn, sau đó chạy thẳng

Hình 1.6 Kích thước đường khi thử nghiệm ổn định ngang theo tiêu chuẩn ISO 14791:2000

Khi thí nghiệm theo dạng chuyển làn đường như hình 1.6 thì có thể điều khiển đoàn xe theo quy luật đánh lái dạng Sin đơn hoặc điều khiển đoàn xe sao cho gia tốc ngang của đoàn xe

có quy luật hình Sin Theo tiêu chuẩn ISO14791:2000 [38] thì có thể đánh giá ổn định ngang của ĐXSMRM khi chuyển làn đường theo các thông số:

- Độ dịch chuyển ngang động (Dynamic Offtracking);

- Hệ số khuếch đại gia tốc RA (Rearward Amplification)

Để xác định được độ dịch chuyển ngang động chuyển tiếp từ chuyển làn đường đơn thì phải đo khoảng cách ngang (theo trục ngang đường) giữa quỹ đạo tâm trục trước và tâm trục

có độ dịch chuyển bên lớn nhất của xe đơn cuối cùng Hệ số RA là tỷ số gia tốc lớn nhất của xe đơn sau cùng chia cho gia tốc lớn nhất của xe đơn đầu tiên Hệ số RA có thể được xác định trong miền thời gian [25, 50] theo công thức như sau (chỉ số t nghĩa là miền thời gian):

yn t

y

x a RA

x a



(1.6) Trong đó: ay1 và ayn là các gia tốc ngang của xe đơn đầu tiên và xe đơn cuối cùng của đoàn xe

Fancher và Wrinkle [35] có định nghĩa hệ số RA trong miền tần số theo công thức như sau (chỉ số f trong miền tần số):

Trang 29

Độ dịch chuyển ngang động (Dynamic Offtracking) và hệ số khuếch đại gia tốc RA được ISO 14791:2000 khuyến nghị dùng để đánh giá ổn định khi chuyển làn đường Theo tác giả Fancher và Wrinkle [35] định nghĩa trạng thái chuyển làn đường thừa (overshoot) xảy ra khi vị trí trọng tâm của các phần thân đoàn xe vượt ra khỏi tâm đường mong muốn và chuyển làn đường thiếu (undershoot) là khi vị trí trọng tâm của các phần thân xe chưa đạt đến tâm đường mong muốn Tuy nhiên, đối với đoàn xe sơ mi rơ moóc trong điều kiện chuyển động thực tế thì khả năng để chuyển làn đường đúng (tức là trọng tâm đoàn xe nằm đúng tâm đường mong muốn) là rất khó khăn

Để có thể thiết lập được các hệ thống cảnh báo hoặc điều khiển thì cần có mô hình động lực học xác định vị trí của đoàn xe so với đường Các mô hình động lực học của ô tô hiện nay đều được thiết lập cho hệ quy chiếu động đặt trên xe (hệ cục bộ) Vì vậy, cần thiết lập tương

quan giữa hệ quy chiếu động (trên xe) và hệ quy chiếu cố định (trên đường) Hệ điều khiển qua

GPS có thể chụp ảnh xác định vị trị tọa độ xe nhưng hệ cảnh báo cho lái xe phải sử dụng các tín hiệu đo được trên xe Xác định sự vi phạm làn đường, các điểm đặc biệt để xác định vi phạm làn đường được sử dụng trong luận án để xác định mất ổn định chuyển làn: đại lượng này có thể đo trực tiếp bằng camera và có thể xác định từ động lực học phía xe; thuận tiện làm thông

số cảnh báo hoặc điều khiển sau này

Nếu có thể thiết lập được tính tương đương giữa các dấu hiệu dễ quan sát (khó đo trực tiếp) và các thông số phản ứng dễ đo đặc trưng cho chuyển động của đoàn xe thì có thể sử dụng các thông số đó làm thông số cảnh báo hoặc điều khiển tương đương

1.4 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Khi chuyển làn đường ĐXSMRM có thể bị chuyển làn đường thừa (Overshoot) hoặc chuyển làn đường thiếu (Undershoot) [35] Tuy nhiên, hành lang di chuyển của ĐXSMRM bị giới hạn bởi kích thước đường theo tiêu chuẩn Nghiên cứu xác định vùng điều khiển để ĐXSMRM chuyển làn đường mà không bị vi phạm làn đường có thể làm cơ sở khi thiết kế các

hệ thống cảnh báo và điều khiển làm tăng tính ổn định chuyển động

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu

ĐXSMRM 4 cầu gồm gồm XĐK 2 cầu MAZ 543203-220 [3] và SMRM 2 cầu có ký hiệu DV-CSKS-400NA [4] như hình 1.7 được chọn làm đối tượng nghiên cứu

Trang 30

Hình 1.7 Đối tượng nghiên cứu

1.4.3 Phương pha ́ p nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết bằng mô hình động lực học có lợi thế là không cần xe mẫu, không cần hệ thống thí nghiệm, có thể dễ dàng thay đổi tham số, khảo sát được tất cả các trạng thái chuyển động mất ổn định và có thể xây dựng được quan hệ nội hàm của quá trình động lực học đoàn xe Các quan hệ nội hàm là nền tảng cho các tối ưu thông số các hệ thống như hệ thống treo, phân bố khối lượng, mô men quán tính ĐXSMRM là hệ nhiều vật, liên kết phức tạp Do vậy, phương pháp hệ nhiều vật được lựa chọn để xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM Mỗi một phần được tách lại có sự liên kết với các phần khác thông qua các lực và

mô men liên kết Lựa chọn và mô tả chuyển động của ĐXSMRM với số bậc tự do ít nhất mà vẫn đảm bảo tính chính xác cần thiết của mô hình Mô hình được xây dựng dựa vào phương pháp trình bày trong [12, 13] với việc xác định thêm một số giả thiết để mô hình có bậc tự do

ít hơn (rút từ 44 xuống 28) Sử dụng mô hình động lực học đã xây dựng và có kiểm chứng tính đúng đắn để khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến ổn định quỹ đạo của ĐXSMRM khi chuyển làn đường

Có thể xây dựng một quy luật chuyển làn đường gần đúng với các đoạn đánh trả lái liên tục với các góc quay bánh xe dẫn hướng, khoảng thời gian đánh lái được tính toán phù hợp trong từng điều kiện chuyển động [6, 17] Tuy nhiên, với phương pháp này thì quy luật đánh lái cần xác định rất nhiều các thông số mô phỏng Một giải pháp khác được các tài liệu của ISO khuyến nghị sử dụng là quy luật đánh lái Sin đơn Sử dụng quy luật đánh lái Sin đơn để tạo ra chuyển động chuyển làn đường khi thí nghiệm ổn định ngang đoàn xe sơ mi rơ moóc được ISO 14791:2000 khuyến nghị với biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng và tần số đánh lái hợp lý [38] Luận án xây dựng một quy luật đánh lái dạng Sin đơn không phản hồi với sự thay đổi của

hai biến số đặc trưng là biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng và tần số đánh lái phù hợp với

Trang 31

điều kiện nghiên cứu

Nghiên cứu thực nghiệm cần phải có xe mẫu, đường thử và hệ thống thiết bị thí nghiệm Ngoài ra, thí nghiệm xác định ngưỡng mất ổn định ĐXSMRM trên đường là rất nguy hiểm, cần có giải pháp đảm bảo an toàn Trong điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam việc này rất khó khăn Vì vậy, nghiên cứu thực nghiệm chỉ được sử dụng để kiểm chứng mô hình động lực học ĐXSMRM đã xây dựng

1.4.4 Phạm vi nghiên cứu

Khi vận hành, lái xe có thể chuyển làn trên đường thẳng, vào đường vòng và phanh trong đường vòng ĐXSMRM có thể phản ứng không tuân theo các thao tác của lái xe như trượt ngang (trượt đàn hồi, trượt ma sát) và lật ngang Khi các cầu còn trượt ngang xe chưa thể lật Khi trượt ngang bị vấp phải lề đường hoặc tương tự, một lực xung được bổ sung, ĐXSMRM

có thể lật ngang ngay cả khi gia tốc ngang không lớn Đó là các quá trình phức tạp, phụ thuộc

đa biến Để vấn đề có thể giải quyết được, NCS chọn quá trình chuyển làn đường và khả năng

giới hạn vi phạm hành lang quét Việc nghiên cứu xác định khả năng chuyển động không vượt hành lang đường (không vấp) khi chuyển làn là một yêu cầu cần thiết Phạm vi nghiên cứu của Luận án là chuyển làn đường an toàn

Trong khuôn khổ của luận án, NCS khảo sát quá trình chuyển làn đường và xác định hành lang quét an toàn nhằm tránh quá trình lật vấp dẫn tới tai nạn Sự mất ổn định lật ngang thường xảy ra khi xe chuyển hướng trên đường có hệ số bám cao Sự mất ổn định hướng thường xảy

ra trên đường có hệ số bám thấp khi phanh hoặc chuyển hướng Cả hai sự mất ổn định này đều

có thể gây ra sự mất ổn định quỹ đạo chuyển động (vi phạm làn đường)

Các nghiên cứu trên về mất ổn định lật ngang thường lựa chọn loại đường có hệ số bám cao làm đầu vào cho mô hình khảo sát [49, 50] Đối với các nghiên cứu về mất ổn định hướng

và quỹ đạo thường lựa chọn loại đường có hệ số bám thấp làm đầu vào cho mô hình khảo sát

Cụ thể như Tianjun [60] khi nghiên cứu về sự mất ổn định của ĐXSMRM có khảo sát trên hai loại đường có hệ số bám cao là 0,8 và thấp là 0,4 cho các trường hợp chuyển làn đường để mô phỏng và đánh giá chuyển động của ĐXSMRM bằng phần mềm Matlab và Trucksim Các nước

xứ lạnh thường có loại đường băng, tuyết có hệ số bám rất thấp và mất ổn định chuyển động của ĐXSMRM xảy ra nhiều Vì vậy, các tác giả ở những nước này cũng lựa chọn các hệ số bám thấp làm thông số đầu vào Cụ thể như Rongrong Wang [54] chọn đường có hệ số bám 0,2; Ashley Liston Dunn [25] chọn đường có hệ số bám 0,3; Tao Peng [59] lựa chọn hệ số bám 0,3 làm đầu vào cho mô hình động lực học khi khảo sát ổn định trên đường ướt

Trong điều kiện nghiên cứu, luận án chưa thực hiện được thí nghiệm xác định hệ số bám

mà tham khảo loại đường có hệ số bám 0,5 tương ứng với loại đường Asphalt ướt (wet) theo bảng 1.2 dưới đây

Trang 32

Bảng 1.2 Hệ số bám của một số loại đường theo R W Allen [52]

1 Nhựa và bê tông (khô)

Asphalt and concrete (dry) 0,8÷0,9 0,75

có thể chưa sang hết làn đường, “Undershoot”, cũng có thể vượt qua làn đường cho phép,

“Overshoot” Trong cả 2 trường hợp có thể dẫn đến lật vấp Chú ý rằng, khi chuyển làn, ngay

cả khi đoàn xe vẫn ổn định nhưng nếu “vấp” vẫn có thể lật, gọi là lật vấp Vì vậy, cần thiết phải xác định giới hạn hành lang khi chuyển làn đường

Với các phân tích tổng quan như vậy, luận án xác định phạm vi nghiên cứu cụ thể như sau: Nghiên cứu quá trình chuyển làn với một số thông số sử dụng như góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số đánh lái của quy luật đánh lái Sin và vận tốc xe đến mất ổn định quỹ đạo ĐXSMRM trên đường phẳng có hệ số bám thấp Từ đó, nghiên cứu phương pháp xác định vùng chuyển làn đường thừa, chuyển làn đường thiếu và chuyển làn đường đủ làm cơ sở để thiết kế các hệ thống điều khiển và cảnh báo sau này

1.4.5 Cấu trúc luận án

Bố cục của luận án được trình bày theo 4 chương chính như sau:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Mô hình động lực học ĐXSMRN nghiên cứu chuyển làn đường

- Chương 3: Khảo sát ổn định quỹ đạo ĐXSMRM khi chuyển làn đường

- Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm

1.5 Kết luận chương 1

Ở Việt Nam vận chuyển bằng ĐXSMRM là một trong những phương thức vận chuyển hàng hóa quan trọng của nền kinh tế Với kích thước và khối lượng lớn, ĐXSMRM cho thấy

Trang 33

hiệu quả của việc vận chuyển các loại hàng hóa, đặc biệt là hàng hóa chuyên dùng Đối với đoàn xe, kích thước lớn, khối lượng lớn và kết cấu nhiều thân liên kết với nhau qua khớp nối thì ổn định quỹ đạo khi chuyển động là vấn đề phức tạp

Chương 1 đã phân tích sự mất ổn định ĐXSMRM gồm quá trình trượt ngang (đàn hồi,

ma sát) của 3 cụm cầu độc lập lẫn nhau; chúng có thể trượt và dẫn đến lật Khi chuyển làn đường, một trạng thái đặc biệt, một trong 3 cụm cầu có thể trượt ngang, mặc dù vẫn còn ổn định hướng, nếu va chạm vẫn có thể dẫn đến lật vấp (Tripped Rollover) Đoàn xe có kết cấu 2 thân nên khi chuyển động có sự phân bố lại tải trọng nhất là khi phanh Dưới tác động của lực ngang, các cầu có thể trượt ngang độc lập với nhau, chuyển từ pha trượt đàn hồi sang pha trượt ma sát

và dẫn đến lật vấp Lật vấp là trạng thái nguy hiểm xảy ra ngay cả khi ở vận tốc thấp và chuyển động trên đường có hệ số bám thấp

Khi chuyển làn đường biên độ góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số đánh lái, vận tốc xe

có ảnh hưởng đến hành lang quét (Offtracking) của đoàn xe Khi chuyển làn đường đoàn xe sơ

mi rơ moóc có thể bị chuyển làn đường thừa (Overshoot) hoặc chuyển làn đường thiếu (Undershoot) Tuy nhiên, hành lang di chuyển của ĐXSMRM bị giới hạn bởi kích thước đường theo tiêu chuẩn Nghiên cứu xác định vùng điều khiển để ĐXSMRM chuyển làn đường mà không bị vi phạm làn đường có thể làm cơ sở khi thiết kế các hệ thống cảnh báo và điều khiển làm tăng tính ổn định chuyển động

Luận án xác định phạm vi nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số sử dụng như góc quay bánh xe dẫn hướng, tần số đánh lái của quy luật đánh lái Sin và vận tốc đoàn xe đến mất

ổn định quỹ đạo ĐXSMRM khi chuyển làn đường với quy luật đánh lái Sin đơn trên đường phẳng có hệ số bám thấp

Trang 34

Chương 2 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ĐOÀN XE

SƠ MI RƠ MOÓC NGHIÊN CỨU CHUYỂN LÀN ĐƯỜNG

Ổn định quỹ đạo chuyển động của ĐXSMRM khi chuyển làn đường là quá trình động lực học phức tạp Quá trình này có thể xảy ra khi ĐXSMRM vẫn làm việc trong vùng tuyến tính

Để xác định được chính xác vị trí của các phần ĐXSMRM trong mặt phẳng đường khi chuyển làn đường thì cần thiết lập một mô hình động lực học mô tả được chuyển động của ĐXSMRM trong hệ quy chiếu cố định với số bậc tự do hợp lý nhằm làm giảm thời gian tính toán mà không làm mất đi tính tổng quát của mô hình

Trong luận án này, mô hình động lực học chuyển động 28 bậc tự do của ĐXSMRM được thiết lập từ hệ phương trình Newton-Euler để xác định sự lệch làn đường của ĐXSMRM trên đường phẳng với góc quay bánh xe dẫn hướng được định nghĩa trước (open-loop) Sử dụng phương pháp hệ nhiều vật thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động với từng vật được tách cấu trúc trong hệ quy chiếu đặt tại trọng tâm các vật rắn [14, 15, 47, 58] Chương này

có tham khảo phương pháp thiết lập mô hình trong [12, 13] nhưng có đưa thêm một số giả thiết làm cho mô hình đơn giản hơn Một mô hình động lực học đoàn xe 6 khối lượng đẩy đủ thiết lập theo phương pháp hệ nhiều vật như cách tiếp cận trong [12, 13] có 6x6 bậc tự do và 4x2 bậc tự do mô tả chuyển động bánh xe Mô hình trong chương 2 có mục đích nghiên cứu chuyển làn (không nghiên cứu lật ngang) nên góc quay ngang tương đối giữa khối lượng được treo và không được treo là nhỏ Chuyển động của đoàn xe trong mặt phẳng đường quyết định bởi lực truyền dọc và ngang; các lực đó được xác định theo quan hệF xij F zijxijvàFyijF zijyij Như vậy chuyển động trong mặt đường (XOY) có thể coi là độc lập với động lực học phương thẳng đứng Do đó mô hình nghiên cứu chuyển làn được tách thành 3 mô hình con: (i) động lực học đoàn xe trong mặt đường xác định chuyển động phương dọc x, phương ngang y và chuyển động quay thân xe quanh trục đứng z, (ii) động lực học phương thẳng đứng xác định phản lực Fz và (iii) động lực học các bánh xe xác định lực truyền Fxij; Fyij tại tâm vết tiếp xúc bánh xe-đường, xem hình (2.18) Nếu mô tả đầy đủ theo [12, 13] ta có 44 phương trình nhưng nếu dựa vào giả thiết như vừa phân tích ta có 28 phương trình

Các lực liên kết giữa thân xe và các cầu xe được xác định từ các điều kiện ràng buộc phù hợp với đặc trưng động lực học ô tô như lực đàn hồi, giảm chấn của hệ thống treo Các lực tương tác lốp-đường được xác định với mô hình lốp Ammon [23, 58] Lực liên kết tại khớp nối được tính từ giả thiết khớp nối lý tưởng Mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink [11] từ

đó xác định được các thông số đánh giá ổn định quỹ đạo chuyển động của ĐXSMRM khi chuyển làn đường với quy luật đánh lái cho trước

Trang 35

2.1 Phân tích cấu trúc và các giả thiết lập mô hình

2.1.2 Các giả thiết khi xây dựng mô hình

Với phân tích cấu trúc đối tượng được nghiên cứu NCS đưa ra một số giả thiết cần thiết

để xây dựng mô hình động lực học ĐXSMRM nghiên cứu ổn định quỹ đạo như sau:

1 Cấu trúc ĐXSMRM đối xứng qua trục dọc của từng xe; các khối lượng tập trung tại trục dọc của từng xe; bỏ qua ảnh hưởng của độ lệch trọng tâm theo phương ngang;

2 Khung XĐK và SMRM cứng tuyệt đối;

3 Trọng tâm của phần được treo trùng với trọng tâm của từng xe;

4 Chuyển động phương dọc của cầu xe tương đương với chuyển động dọc của khối lượng được treo tương ứng;

5 Cầu xe không quay theo trục ngang;

6 Các góc quay theo trục thẳng đứng của các cầu xe bằng các góc quay trục đứng của khối lượng được treo tương ứng;

7 Các điểm đặt lực từ hệ thống treo lên khối lượng được treo được quy về điểm tương ứng điểm với điểm giữa nhíp;

8 Bánh xe là đàn hồi; Các bánh xe kép được quy về bánh xe đơn;

9 Đường phẳng tuyệt đối với chiều cao mấp mô mặt đường bằng 0;

10 Bỏ qua ảnh hưởng đàn hồi hệ thống lái;

11 Khớp yên ngựa là lý tưởng; Bỏ qua lực ma sát trong khớp yên ngựa;

12 Bỏ qua ảnh hưởng của lực cản khí động theo phương ngang;

13 Bỏ qua mô men đàn hồi trục đứng Mzij;

14 Động lực học trong mặt phẳng đường độc lập (tương đối) với động lực học phương

thẳng đứng

Trang 36

- Hệ quy chiếu cố định O(XYZ) để xác định quỹ đạo chuyển động của từng xe;

- Hệ quy chiếu cục bộ của XĐK C1(x1y1z1); hệ quy chiếu của SMRM C2 (x2y2z2) ;

- Hệ quy chiếu đặt tại trọng tâm các cầu xe Ai (xiyizi), (i=1(1)4) để thiết lập hai chuyển động dao động thẳng đứng và lắc ngang;

Trang 37

(b) Hệ quy chiếu quy dẫn

- Hệ quy chiếu (quy dẫn) tại tâm các bánh xe để thiết lập phương trình chuyển động góc của bánh xe và chuyển động thẳng đứng của tâm bánh xe;

- Hệ quy chiếu (quy dẫn) tại tâm vết tiếp xúc bánh xe để xác định vận tốc dọc và ngang khi tính các hệ số trượt dọc, ngang của bánh xe

Với các giả thiết trên, mô hình động lực học đoàn xe sơ mi rơ moóc được mô tả bởi 28 bậc

tự do bao gồm:

- 3 bậc tự do (tịnh tiến dọc theo trục C1x1, tịnh tiến ngang theo trục C1y1, quay quanh trục

C1z1)cho khối lượng M1 của XĐK;

- 3 bậc tự do (tịnh tiến dọc theo trục C2x2, tịnh tiến ngang theo trục C2y2, quay quanh trục

C2z2)cho khối lượng M2 của SMRM;

- 3 bậc tự do (lắc ngang theo trục C1x1, lắc dọc theo trục C1y1, thẳng đứng C1z1)cho khối lượng m1 của khối lượng được treo XĐK;

- 3 bậc tự do (lắc ngang theo trục C2x2, lắc dọc theo trục C2y2, thẳng đứng C2z2)cho khối lượng m2 của khối lượng được treo SMRM;

- 4x2 bậc tự do cho mAi là các cầu xe (chuyển động thẳng đứng theo trục AizAi và lắc ngang quanh trục AixAi) (i=1(1)4);

- 8 bậc tự do cho mỗi bánh xe mô tả góc quay bánh xe (8 bánh xe)

2.2.2 Hệ lực và mô men

Chuyển động của đoàn xe sơ mi rơ moóc trong mặt phẳng đường XOY được xác lập bởi các lực dọc Fxij, các lực ngang Fyij Các lực đó là hàm phụ thuộc phản lực Fzij và hệ số truyền lực xij, yij: F xij F zijxij, Fyij F zijyij Như vậy có thể tính riêng phản lực Fzij, hệ số truyền lực

Như vậy mô hình động lực học ĐXSMRM có thể tách làm 3 mô hình con:

- (i) Mô hình chuyển động của ĐXSMRM trong mặt phẳng đường, các định các tọa độ suy rộng x y1, 1,1;x y2, 2,2(6 phương trình, mục 2.2.3);

- (ii) Mô hình động lực học phương thẳng đứng z xác định phản lực Fzij (14 phương trình, mục 2.2.4);

- (iii) Mô hình động lực học bánh xe xác định vận tốc góc ij(8 phương trình, mục 2.2.5)

Trang 38

Hình 2.1b Hệ lực/mô men tác dụng lên ĐXSMRM

2.2.3 Hệ phương trình chuyển động của ĐXSMRM trong mặt phẳng đường

Khi điều khiển, lái xe thực hiện các thao tác như ga hoặc phanh và quay vô lăng tạo ra các phản lực dọc (kéo hoặc phanh) và các lực ngang tại tâm vết tiếp xúc; được ký hiệu là Fxij;

Fyij Sơ đồ lực trong mặt phẳng chuyển động như hình 2.2

Để thiết lập được phương trình vi phân mô tả động lực học ĐXSMRM trong mặt phẳng đường theo phương pháp hệ nhiều vật cần tách sơ đồ lực đoàn xe sơ mi rơ moóc trong mặt phẳng XOY (hình 2.2) tại khớp yên ngựa, ta có sơ đồ lực trong mặt phẳng XOY của XĐK như hình 2.3 và của SMRM như hình 2.4

Gọi x1 y1 ψ ; 1 x2 y2 ψ là các vận tốc của trọng tâm C2 1, C2 trong hệ quy chiếu cục

bộ tương ứng của XĐK và SMRM Tách tại khớp yên ngựa ta có sơ đồ lực xe đầu kéo như hình 2.3 và SMRM như hình 2.4

Trang 39

Hình 2.2 Sơ đồ lực ĐXSMRM trong mặt phẳng đường XOY

Đối với XĐK phương trình vi phân xác định chuyển động theo phương dọc C1x1 được thiết lập khi chiếu các ngoại lực tác dụng lên XĐK theo phương dọc Phương trình được viết như sau với:

Trang 40

Hình 2.3 Sơ đồ lực học XĐK trong mặt phẳng đường XOY

1(y + x ψ ) = F sinδ + F cosδ + F sinδ + F sinδ + F + F - F1 1 1 y11 11 y11 11 x12 12 y12 12 y21 y22 ky1 (2.2)

x11 11 y11 11 x12 12 y12 12 1 y21 y22 2 ky1 k1

J ψ = F cosδ - F sinδ - F cosδ - F sinδ b + F - F b (2.3) + F sinδ + F cosδ + F sinδ + F sinδ l - F + F l + F l

M2(x - y ψ ) = F + F + F + F + F - F2 2 2 kx2 x31 x32 x41 x42 wx2 (2.4)

Định dạng
Số trang	158
Dung lượng	7,36 MB